CN113125499A - 一种高压套管表面污秽监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压套管表面污秽监测系统及其监测方法，包括信息采集模块，用于测量高压套管表面的污秽信息，采集高压套管表面信息和温度信息；信息融合处理模块，用于接收、处理、分析信息采集模块发送的污秽信息、表面信息和温度信息；信息传输模块，用于将处理、分析后的污秽信息、表面信息和温度信息传输至后台服务器；后台服务器，用于远程监控和显示信息融合处理模块处理的信息结果，并根据信息结果发出报警信息。本发明当高压套管表面积污过多时，能自动向运行线路发出报警信息，从而能在一定程度上降低因高压套管积污过多引起的电力故障，保证电力系统的正常运行。

Description

一种高压套管表面污秽监测系统及其监测方法

技术领域

本发明属于高压套管监测的技术领域，具体涉及一种高压套管表面污秽监测系统及其监测方法。

背景技术

电力变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行可靠性与电力系统的安全与稳定紧密相关，高压套管是电力变压器的重要组成部分。变压器绕组的引出线必须穿过高压套管接外电路，高压套管是引出线之间以及引出线与油箱之间的绝缘，并起固定引出线的作用。因此保证高压套管的安全正常运行对电力系统至关重要。现有的高压套管监测系统缺少对高压套管表面污秽的监测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种高压套管表面污秽监测系统及其监测方法，以解决现有的高压套管监测系统缺少对高压套管表面污秽的监测的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种高压套管表面污秽监测系统，其包括：

信息采集模块，用于测量高压套管表面的污秽信息，并采集高压套管表面信息和温度信息；

信息融合处理模块，用于接收、处理、分析信息采集模块发送的高压套管污秽信息、表面信息和温度信息；

信息传输模块，用于将处理、分析后的污秽信息、表面信息和温度信息传输至后台服务器；

后台服务器，用于远程监控和显示信息融合处理模块处理的信息结果，并根据信息结果发出报警信息。

进一步地，信息采集模块包括用于对高压套管表面的污秽进行测量的光纤传感器，用于对高压套管表面进行实时监控采集高压套管表面信息的摄像头，和用于采集高压套管温度信息的红外热成像仪。

进一步地，光纤传感器包括光发送器、石英玻璃棒、敏感元件和光接收器。

一种高压套管表面污秽监测系统的监测方法，包括：

S1、计算高压套管光功率损耗率η：

其中，P_in与P_out分别为输入石英管的光功率和输出石英管的光功率；

S2、构建样本集{x_i，y_i}，i＝1，2，...，l，其中，x_i为光功率损耗量的样本输入数据，y_i为样本输出数据，l为样本数量；

S3、基于样本集构建支持向量机模型，并通过训练后的数据输出高压套管的盐密度值；

S4、采用相对误差评价支持向量机模型的准确性。

进一步地，S3中构建支持向量机模型，包括：

S3.1、根据支持向量机的学习目标为在n维数据空间中寻找一分类超平面，构造函数f(x)：

其中，ω为超平面法向量，

为将样本向量映射到高维特征空间的映射函数，b为偏移量；

S3.2、采用二次优化将函数f(x)转化为最优解求解，并引入拉格朗日函数，得到下式：

其中，α为引入拉格朗日乘子，L(ω,b,ξ,α)为最优解函数，ξ为优化后与x有关的参数，J(ω,ξ)为f(x)的二次优化，α_i为拉格朗日乘子，ξ_i为优化后与第i个x有关的参数；

S3.3、基于库恩－塔克条件列出S3.2中的约束方程，求解参数α和b，得到支持向量机模型y(x)：

其中，K(x，x_i)为核函数。

进一步地，约束方程为：

其中，γ为核函数的宽度。

进一步地，S4中采用相对误差评价支持向量机模型的准确性，包括：

其中，Q(i)为算法测量盐密值即模型y(x)的输出值，T(i)实测盐密值，λ为误差。

本发明提供的高压套管表面污秽监测系统及其监测方法，具有以下有益效果：

本发明通过对高压环境中实时运行的高压套管的表面污秽进行实时监测，融合了红外热成像技术、光纤表面污秽监测和图像识别方法来反应高压套管的表面污秽的情况；当表面污秽过多时，可自动向运行线路发出报警信息，从而能在一定程度上降低因污秽过多引起的电力故障，保证电力系统的正常运行。

附图说明

图1为高压套管表面污秽监测系统的原理框图。

图2为高压套管表面污秽监测系统的光纤传感器测量盐密和灰密工作原理图。

图3为高压套管表面污秽监测系统的红外测温技术成像原理图。

图4为高压套管表面污秽监测系统的监测方法的原理图。

其中，1、信息采集模块；2、信息融合处理模块；3、信息传输模块；4、后台服务器；5、光纤传感器；6、摄像头；7、红外热成像仪。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1-图3，本方案的高压套管表面污秽监测系统，包括依次信号连接的信息采集模块1、信息融合处理模块2、信息传输模块3和后台服务器4。

其中，信息采集模块1，用于测量高压套管表面的污秽信息，采集高压套管表面信息和温度信息。

信息融合处理模块2，用于接收、处理、分析信息采集模块1发送的污秽信息、表面信息和温度信息。

信息传输模块3，用于将处理、分析后的污秽信息、表面信息和温度信息传输至后台服务器4。

后台服务器4，用于远程监控和显示信息融合处理模块2处理的信息结果，并根据信息结果发出报警信息。

以下对上述各个模块进行详细描述：

信息采集模块1，包括光纤传感器5、摄像头6和红外热成像仪7，光纤传感器5、低功耗的摄像头6和红外热成像仪7分别和信息融合处理模块2信号连接。

光纤传感器5包括光发送器、石英玻璃棒、敏感元件和光接收器，用于对高压套管表面的污秽进行测量，并将测量信息传输到信息融合处理模块2。

摄像头6，用于对高压套管表面进行24小时不间断地监控，采集高压套管表面的信息，并将测量信息传输到信息融合处理模块2。

红外热成像仪7，用于采集高压套管的温度信息，并将测量信息传输到信息融合处理模块2。

信息融合处理模块2，用于处理来自光纤传感器5、摄像头6和红外热成像仪7所采集的信息，并分析来自红外热成像仪7的温度信息和来自光纤传感器5、摄像头6的污秽信息，用于准确判断高压套管表面的积污量，并将处理结果传输到后台服务器4。

信息传输模块3，用于信息的传输。

后台服务器4，用于远程监控和显示所诉信息融合处理模块2处理的信息结果，并产生报警信息。

本方案系统集成信息采集模块1、信息融合处理模块2、信息传输模块3和后台服务器4，通过对高压环境中实时运行的高压套管的表面污秽进行实时的监测，融合了红外热成像技术、光纤表面污秽监测和图像识别方法来反应高压套管的表面污秽的情况。当表面污秽过多时，本方案系统能自动向运行线路发出报警信息，从而能在一定程度上降低因高压套管污秽过多引起的电力故障，保证电力系统的正常运行。

根据本申请的一个实施例，参考图4，本方案的高压套管表面污秽监测系统的监测方法，具体包括：

光纤传感器5是指高纯度石英棒，当石英棒暴露在空气中时，把它看成一个以石英棒为核心，以空气为包层的光波导。

当光能通过光波导时，会产生吸收、散射、和辐射3种损耗。前两种损耗产生的原因是污秽物颗粒，光能在光波导中的传输损耗主要是这两种损耗。

当石英棒表面清洁时，照射到光波导中，没有了污秽度颗粒的阻拦，大部分光能均能在石英棒中传输，光波传输中的光能损耗很小。

当石英棒表面有污染物颗粒时，照射到光波导中，由于有了污秽物颗粒的阻拦，导致了光能损耗，此时，传感器表面盐分的多少能由光功率损耗率η间接表示。

污秽度越高，在光纤传感器5表面附着的污秽度颗粒越多，其吸收损耗和散射损耗越大，最终导致光功率损耗率η越大。

高压套管表面发生闪络的原因是表面污秽中的盐分，本发明用高压套管表面盐密的大小间接表示污秽度大小。当高压套管表面盐密的大小不变时，温度和湿度对光功率损耗的变化会造成一定的影响，故将温度，湿度与光功率损耗率作为变量，其具体步骤包括：

光功率损耗率为：

其中，P_in与P_out分别代表输入石英管的光功率和输出石英管的光功率。

本方案采用支持向量机模型对其关系进行训练，并通过训练后的数据进行现场测量，包括：

支持向量机(SVM)的基本思想为寻找一超平面，该超平面可以最优化平面两侧的区域间隔。

构造样本集{x_i，y_i}，i＝1，2，...，l，其中，x_i为样本输入数据，y_i为样本输出数据。支持向量机的学习目标为在n维数据空间中找到某一分类超平面，构造如下函数：

其中，ω为超平面法向量，

为将样本向量映射到高维特征空间的映射函数，b为偏移量。

利用二次优化，将上式转化为如下最优解问题：

约束条件为：

由于ω维数较高难以直接求解，则引入拉格朗日函数：

其中，α为引入拉格朗日乘子，并利用库恩－塔克条件列出约束方程：

其中，i＝1，2，...，l，消去结果中的ω与ξ，保留ξ与b，可得：

其中：y＝[y₁，...，y_i]^T，I_l＝[1，...，1]^T，α＝[α₁，...，α_i]^T，H为正定矩阵，其中元素：h_ij＝y_i(K(x_i，x_j)+δ_ijγ^-1)，δ_ij为克罗内克函数。

通过求解上述方程组可得到α和b，得到模型：

其中，本方案的核函数选用高斯径向基函数：

实验研究软件选用LSSVMLAB，在利用支持向量机进行建模训练时，参数是惩罚参数y和核参数σ，寻找最佳y和σ的组合问题实际上是最佳模型选择问题。

根据验证方法得到模型最优解为惩罚参数γ＝10，核参数σ＝0.55。

采用相对误差公式作为模型性能评价公式来评价模型准确度：

其中，Q(i)为算法测量盐密值，T(i)实测盐密值，误差越小表示模型输出越准确。

实验结果表明，支持向量机测量盐密测量误差和传统测量方法误差相差不大，支持向量机用于测量绝缘子污秽度具有可靠性和有效性。

红外测温技术主要是对热辐射进行采集和吸收，并且将热辐射存储起来，在特定的时间限制内将存储的热辐射转化为图像信号，该种图像信号将呈现在检测人员面前，促使检测人员清楚的了解到设备或线路的热辐射情况。

对于上述摄像头6，采用外置三角定位式全方位摄像头6对现场和危险点进行监测，通过间断拍摄图片降低系统功耗。

本发明当高压套管表面积污过多时，能自动向运行线路发出报警信息，从而能在一定程度上降低因高压套管积污过多引起的电力故障，保证电力系统的正常运行。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种高压套管表面污秽监测系统，其特征在于，包括：

信息采集模块，用于测量高压套管表面的污秽信息，并采集高压套管表面信息和温度信息；

信息融合处理模块，用于接收、处理、分析信息采集模块发送的高压套管污秽信息、表面信息和温度信息；

信息传输模块，用于将处理、分析后的污秽信息、表面信息和温度信息传输至后台服务器；

后台服务器，用于远程监控和显示信息融合处理模块处理的信息结果，并根据信息结果发出报警信息。

2.根据权利要求1所述的高压套管表面污秽监测系统，其特征在于：所述信息采集模块包括用于对高压套管表面的污秽进行测量的光纤传感器，用于对高压套管表面进行实时监控采集高压套管表面信息的摄像头，和用于采集高压套管温度信息的红外热成像仪。

3.根据权利要求1所述的高压套管表面污秽监测系统，其特征在于：所述光纤传感器包括光发送器、石英玻璃棒、敏感元件和光接收器。

4.一种根据权利要求1-3任一所述的高压套管表面污秽监测系统的监测方法，其特征在于，包括：

S1、计算高压套管光功率损耗率η：

其中，P_in与P_out分别为输入石英管的光功率和输出石英管的光功率；

S2、构建样本集{x_i，y_i}，i＝1，2，...，，其中，x_i为光功率损耗量的样本输入数据，y_i为样本输出数据，l为样本数量；

S3、基于样本集构建支持向量机模型，并通过训练后的数据输出高压套管的盐密度值；

S4、采用相对误差评价支持向量机模型的准确性。

5.根据权利要求4所述的高压套管表面污秽监测系统的监测方法，其特征在于，所述S3中构建支持向量机模型，包括：

S3.1、根据支持向量机的学习目标为在n维数据空间中寻找一分类超平面，构造函数f(x)：

其中，ω为超平面法向量，

为将样本向量映射到高维特征空间的映射函数，b为偏移量；

S3.2、采用二次优化将函数f(x)转化为最优解求解，并引入拉格朗日函数，得到下式：

其中，α为引入拉格朗日乘子，L(ω,b,ξ,α)为最优解函数，ξ为优化后与x有关的参数，J(ω,ξ)为f(x)的二次优化，α_i为拉格朗日乘子，ξ_i为优化后与第i个x有关的参数；

S3.3、基于库恩－塔克条件列出S3.2中的约束方程，求解参数α和b，得到支持向量机模型y(x)：

其中，K(x，x_i)为核函数。

6.根据权利要求5所述的高压套管表面污秽监测系统的监测方法，其特征在于，所述约束方程为：

其中，γ为核函数的宽度。

7.根据权利要求6所述的高压套管表面污秽监测系统的监测方法，其特征在于，所述S4中采用相对误差评价支持向量机模型的准确性，包括：

其中，Q(i)为算法测量盐密值即模型y(x)的输出值，T(i)实测盐密值，λ为误差。

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